環(huán)境能量收集技術(shù)及其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

引言

無線傳感器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的組成部分，其體 積微小，然而自身攜帶的電池能量有限，不能滿足長期工作需 要。收集自然環(huán)境中的能量并轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)傳感器的自供 電，成為當(dāng)前的研究熱點之一叫目前研究無線傳感器節(jié)點自 供能，主要都是通過收集環(huán)境中某一種特定的能源，但是依 靠單一的能源，并不是那么的可靠，自然界存在的環(huán)境能源是 不穩(wěn)定的，必然會影響無線傳感器節(jié)點的工作效率［%利用傳 感器網(wǎng)絡(luò)所處環(huán)境的特點，同時對周圍環(huán)境中多種能量進(jìn)行 收集、轉(zhuǎn)化、獲取、儲存，為傳感器節(jié)點提供和維持長時間 的電能，是提高無限傳感器節(jié)點工作效率的一種有效途徑。

1可利用的環(huán)境微能源

在我們生活的物質(zhì)空間里，存在著各種潛在的、可以利 用的能源，例如太陽能、風(fēng)能、熱能、機(jī)械振動能、聲能、電 磁能等叫本文收集環(huán)境中最常見的三種環(huán)境微能源，即照明 與環(huán)境光能、環(huán)境溫差能和環(huán)境機(jī)械能。

表1不同能量轉(zhuǎn)換方式間的對比

表1概括了這三種能量采集技術(shù)的主要參數(shù)值，從表中 可以看出這三種微能量的主要特征有:（1）輸出電壓比較低, 低于一般工藝下MOS管的閾值電壓，因此該電壓不能直接給 電路供電；（2）輸出特性非理想性，存在最大功率點，其受 環(huán)境因素的影響；（3）內(nèi)阻值大，輸出功率低，致使供電電路 效率低下叫因此設(shè)計時需要根據(jù)環(huán)境中的微能量的不同特點, 以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所處的環(huán)境選擇出性價比最高的能量采 集方案，是延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期和降低其系統(tǒng)成本 的關(guān)鍵叫表2列出了對不同環(huán)境下不同環(huán)境能量的采集方案。

傳感器節(jié)點所處環(huán)境不同，環(huán)境中可以收集的能源也不相同，采用某一特定的能量采集技術(shù)難以保證任何環(huán)境中的無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)均能可靠地獲取所需能量。因此，本文提出了一 種能同時采集到多種環(huán)境微能源，不再單一的依賴某一種能 量供電的能量管理系統(tǒng)。

2能量管理系統(tǒng)的工作原理

能量管理系統(tǒng)中使用了4個比較器，其中的比較器1實 際上是兩個比較器組成的，一個用于監(jiān)測光伏電池兩端的電壓, 另一個用于監(jiān)測超級電容1兩端的電壓，另兩個比較器分別用 于監(jiān)測超級電容1、超級電容2兩端的電壓。能量管理系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)框圖如圖1所示。

2.1主能量收集原理

每平方厘米的太陽能電池板收集到的能量能達(dá)到mW級, 可以滿足無線傳感器節(jié)點的能量消耗。因此，優(yōu)先考慮采用 太陽能光伏電池來采集照明與環(huán)境光能，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點供能量的主要方式。

太陽能光伏電池輸出功率效率較咼時，比較器1中用于監(jiān) 測光伏電池電壓的比較器輸出高電平，單片機(jī)控制電子開關(guān)1 將太陽能光伏電池與傳感器節(jié)點及鋰離子電池相連，并通過穩(wěn) 壓電路給傳感器節(jié)點供能，且將多余的電能儲存在鋰離子電池 中。同時溫差電池依靠太陽能電池背面的熱量產(chǎn)生電動勢，將 低壓電能輸出給超低壓升壓電路；電能通過升壓后儲存在超 級電容起中。

太陽能光伏電池輸出能量功率下降時，比較器1中用于監(jiān) 測光伏電池電壓的比較器不再輸出高電平，單片機(jī)控制的電子 開關(guān)1將光伏電池與超級電容1導(dǎo)通，太陽能電池不再直接與 傳感器節(jié)點及鋰離子電池相連，而與超級電容器連接。當(dāng)超級 電容器充電，電壓到達(dá)閾值2.5 V時，比較器1中用于監(jiān)測超 級電容1的比較器的輸出高電平，單片機(jī)控制開關(guān)電路開關(guān)2 導(dǎo)通，超級電容器開始放電，輸出給升壓電路，再給鋰離子電 池充電。超級電容器放電過程電壓逐漸下降，會從2.5 V逐漸 下降到1.0 V，到達(dá)1.0 V后放電效率會急劇下降，通過單片機(jī)加入延時程序。在超級電容器放電完成后，不再輸出高電 平，開關(guān)電路開關(guān)2截止，等待超級電容器重新蓄能。

2.2輔助能量收集原理

壓電發(fā)電片收集環(huán)境中的機(jī)械振動能，其不受其它兩種 能量收集方式的影響，產(chǎn)生的能量經(jīng)阻抗匹配電路和整流電 路給超級電容充電。當(dāng)電壓比較器3檢測到超級電容的電壓 達(dá)到2.5 V時，電壓比較器3輸出高電平，單片機(jī)控制電子開關(guān)4,使超級電容3放電為鋰離子電池充電。在該能量管理系 統(tǒng)中溫差電池和壓電發(fā)電都是作為了輔助能源收集設(shè)備，避免 了依靠單一的外界環(huán)境能源為無線傳感器節(jié)點供電，不再會因 某種特定的能量不足就轉(zhuǎn)而收集其他的能源或者等待特定能 源比較充足的時候在收集。

2.3能量管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本能量管理系統(tǒng)中一共用到了三個超級電容用來臨時存 儲收集到的環(huán)境微能量，通過單片機(jī)延時，將其分先后放電。 設(shè)計軟件流程框圖如圖2所示。

太陽能光伏電池板易收集環(huán)境中的能量，先進(jìn)行信號檢 測，到達(dá)閾值則其先進(jìn)行放電。待超級電容放電后，其他超 級電容再逐個放電。由于單片機(jī)使用的是延時的方式，如果 在延時時間內(nèi)，另一個超級電容器的電壓也達(dá)到了閾值電壓, 此時只能等待，當(dāng)上一個超級電容器的放電延時結(jié)束，該超 級電容器才能開始放電。

3自供能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常是由若干傳感器節(jié)點、一個匯 聚(Sink)節(jié)點和后臺監(jiān)控平臺構(gòu)成，如圖3所示。傳感器 節(jié)點散布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，每個節(jié)點都可以采集數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)相鄰 節(jié)點數(shù)據(jù)，并用平面自組多跳路由(Multi-hop)無線方式把數(shù) 據(jù)傳送到匯聚點，匯聚節(jié)點直接與互聯(lián)網(wǎng)以有線的方式相連, 通過互聯(lián)網(wǎng)或其它網(wǎng)絡(luò)通訊方式將監(jiān)測信息傳送到后臺監(jiān)控 平臺。同樣地，用戶可以通過后臺監(jiān)控平臺進(jìn)行命令的發(fā)布, 告知傳感器節(jié)點收集監(jiān)測信息。

圖3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感器節(jié)點一般是由四個部分組成，即傳感器模塊、 處理器模塊、無線收發(fā)模塊和電源模塊叫其中，傳感器模 塊是用于采集檢測區(qū)域內(nèi)的信息；處理器模塊主要是用于數(shù) 據(jù)的處理和存儲；無線收發(fā)模塊是用于無線傳感器節(jié)點之的 通信;電源模塊主要是用于給傳感器節(jié)點供電。無線傳感器節(jié) 點結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體設(shè)計

無線傳感系統(tǒng)由若干個自主供電的無線傳感器節(jié)點和一 個無線接收系統(tǒng)組成。采用環(huán)境微能量收集器供電，電源管 理模塊對微能量收集器的輸出進(jìn)行管理；溫濕度傳感模塊、 無線通信模塊以及單片機(jī)控制模塊是無限傳感器節(jié)點的應(yīng)用 負(fù)載部分，負(fù)責(zé)測量到的數(shù)據(jù)無線發(fā)射至接收平臺。無線接 收系統(tǒng)包括單片機(jī)控制模塊、無線通信模塊，用以接收數(shù)據(jù); 數(shù)據(jù)的顯示則由基于ARM處理器的上位機(jī)平臺實現(xiàn)。

4實驗測試與分析

4.1采用的收能器及其儲能器件

微能源收集系統(tǒng)采用尺寸為62 mmX69 mm單晶硅光伏 電池收集照明和環(huán)境光能，采用尺寸為40 mmX40 mm的雙 極型半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊來收集環(huán)境中的溫差能，采用陶瓷 片直徑為40 mm，基板直徑為50 mm的圓形雙晶壓電發(fā)電片 收集環(huán)境機(jī)械能。鋰離子電池的過充電保護(hù)電壓為4.2 V，過 放電保護(hù)電壓為3 V，容量為1 400 mAh，循環(huán)壽命：500次。 三個超級電容器的容量都為30 F，額定電壓都為2.7 V無線 傳感器節(jié)點工作電壓范圍為3.3 V

4.2實驗結(jié)果分析

為了論證能量管理系統(tǒng)的有效性，下面取了 2014年3月13日這一天的實驗結(jié)果進(jìn)行分析。圖6是鋰離子電池端電壓 的變化曲線。從圖中看出，光伏電池在為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 供電的同時，將剩余能量儲存在鋰離子電池中，鋰離子電池端 電壓在充電過程中不斷升高，16 : 00之后，由于太陽輻照度 比較低，再加上鋰離子電池自放電效應(yīng)及能源管理電路的消耗, 鋰離子電池的端電壓有所下降。能量管理系統(tǒng)中共有三個超 級電容，著重測試了存儲溫差電池能量的超級電容兩端的電 壓，其結(jié)果如圖7所示。隨著溫差電池兩端的電壓不斷升高, 超級電容兩端的電壓也逐漸升高。從圖8中看出，系統(tǒng)的輸出 為無線傳感器節(jié)點供電的電壓基本穩(wěn)定在3.3 V，無線傳感器 節(jié)點工作正常。

4.3實驗結(jié)果小結(jié)

綜上所述，該能量管理系統(tǒng)能充分利用環(huán)境中的微能量, 白天，光伏電池在為傳感器節(jié)點供電的同時，將剩余能量儲存 到鋰離子電池中，同時溫差電池能夠?qū)⒐夥姵禺a(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn) 化為電能儲存到超級電容器中，夜間，鋰離子電池為節(jié)點供電。 若壓電發(fā)電片受到振動激勵亦可將環(huán)境機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能存 儲到超級電容中。系統(tǒng)基本上能夠保持穩(wěn)定的電壓輸出，從而 保證傳感器節(jié)點正常穩(wěn)定工作。

5結(jié)語

隨著無線傳感器網(wǎng)的廣泛應(yīng)用和研究的逐步深入，盡管 采能量管理策略，但以往的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于大量分布的 無線傳感節(jié)點上的電池耗盡問題在許多應(yīng)用場合下仍然難于實 用。能量采集技術(shù)為這類問題的解決開辟了一個新的天地。本 文給出了一種多路微能量收集方式，在傳統(tǒng)的能量采集的基礎(chǔ) 上，進(jìn)行了改進(jìn)，弓I進(jìn)了最大可能的收集環(huán)境中的微能量，從 而提高了無線傳感器的工作生命周期。

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